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CATL钠离子电池是一种以钠离子为电荷载体的电池。它是一种二次电池，与目前最好的可充电电池锂离子电池相同。它们都是可逆的，通过电极之间负载的金属离子嵌入和去除，以转换化学能和电能。钠和锂的化学性质相似，可以重复使用锂离子电池的一些生产技术和系统。CATL钠离子电池不仅用于提高能量密度和布局供应链，还用于电动两轮车、电动汽车和储能三个场景，以及低温高功率场景。本文将主要讨论CATL钠离子电池的化学创新和结构创新。

 

CATL钠离子电池与锂离子电池产能兼容

钠和锂在元素周期表上与碱金属基团相邻，原子最外层只有一个电子，它们的化学性质非常相似。以离子为载体的电池也具有类似的原理和结构。大多数锂离子电池的生产系统可以在CATL钠离子电池上重复使用，并且生产能力可以部分兼容。

CATL钠离子电池单体的能量密度与磷酸铁锂电池的能量密度重叠：

 

 

catl钠离子电池的理论成本优势十分突出。根据相同容量软包电池的瓦时成本换算，钠离子电池BOM的理论成本比锂离子电池低约30%。

 

 

CATL钠离子电池的安全性和性能不亚于锂铁，这得益于：

● 相对较低的能量密度和放热焓

● 它不容易释放氧气，也没有易燃的风险

● 短时相对较小的瞬时电流和温升

 

目前，CATL钠离子电池未发生过充、过放、短路、针刺、挤压等火灾爆炸事故。在低温下，这要归功于：

● 由于钠离子的溶剂化能较低，因此具有更好的界面离子扩散能力

● 普鲁士蓝等特殊正极材料的开放式框架三维框架带来的大孔径传输通道

● 目前，微纳结构和碳涂层大大提高了电子导电性和放电功率。

 

CATL钠离子电池遵循PBA衍生路线

与HiNa电池的Li掺杂过渡金属O3型Nax氧化物不同，CATL钠离子电池遵循PBA衍生物路线。两者都具有高克容量和高电压平台的优点，即高能量密度。不同之处在于PBA由于其特殊的晶体结构而具有高动态优势。

面心立方体的开放式框架结构和三维巨大通道非常有利于钠离子的快速迁移，经过一定量的脱墨后可以可逆地保持结构稳定性。当然，由于制备工艺的不同，钠含量和晶体含水量也不同，因此最终的晶体会发生畸变，形成单晶或菱面体体系。

2015年，美国的几个尖端实验室与J.B.Goodenough密切合作，开发了一种名为普鲁士白的钠离子电池正极材料：Na1.92Fe，它实际上是普鲁士蓝钠的特定成分。由于钠含量高达1.92，粉末呈白色，因此被称为普鲁士白。

 

 

2018年，一家名为Novasis Energies的公司推出了一种基于NaxMnFe（CN，在充放电过程中有许多对可逆的氧化还原反应）的软包装钠离子电池。然而，这种材料也存在相当致命的缺陷，这也是它长期未被商业化使用的原因：

首先，晶体中过多的结晶水会占据钠离子位点，堵塞相邻钠离子的迁移通道，也会自由进入电解质，并与其发生副反应，导致电解质消耗、负极SEI膜不稳定、阻抗增加。

第二，晶体中过多的空位不仅会阻碍电子的迁移，还会导致晶格畸变，破坏Ma C｜N Mb桥键，从而导致PBA的三维骨架结构坍塌，电池性能下降。

 

CATL钠离子电池经过设计和改进

CATL钠离子电池从材料和电极工艺层面进行了创新设计和改进。

 

材料等级

在合成普鲁士白材料的过程中，CATL研究团队利用交换反应加入一种或多种中性配体L，部分或完全取代结晶水，从而降低甚至去除了粉末级结晶水的含量，经验证其吸水率可降低60%。

CATL钠离子电池研究团队在普鲁士白料的制备中引入羧甲基纤维素钠，调节母液的粘度和沉淀速率，形成了粒径和比表面积合适的颗粒，获得了相对优化的放大倍率和循环性能。同时，CATL钠离子电池对颗粒尺寸和孔隙率进行了最合适的设计，并保证了循环稳定性。

 

 

为了提高普鲁士白材料在非水电解质体系中的循环性能，CATL钠离子电池引入了一种特殊的电解质添加剂：阳离子的电荷/半径比小于钠离子，并对添加剂的含量进行了优化。

在钠离子电池的充电和放电过程中，阳离子将优先嵌入PBA材料并从PBA材料中分离，因为阳离子具有较小的充电/半径比。因此，它在插拔过程中对普鲁士蓝材料结构的破坏较小，可以稳定普鲁士蓝材料的三维骨架结构，使钠离子电池具有良好的循环性能。

 

极性切片级别

CATL钠离子电池以适当的比例引入了直径为5nm～100nm且具有良好柔韧性的一维碳纳米材料，大大降低了膜的电阻，使正极板具有良好的导电性。

CATL钠离子电池优化了导电聚合物与导电剂的配比，使膜电阻降低了70%，获得了非常优异的2C倍率性能。此外，改进了普鲁士白阴极浆料的混合和涂布工艺，优化了活性材料厚度d1与集流体厚度d2的比例，获得了优异的CATL钠离子电池循环性能。为了解决小颗粒粉末固有的压实密度低的问题，CATL钠离子电池采用独特的双峰混合匹配方法，将普鲁士白正极的压实密度提高到2.0g/cc，大大提高了体积和质量能量密度。

 

化学系统级别

在化学系统匹配方面，CATL钠离子电池控制了电池首次充放电时的容量损失，并在高倍率下实现了更高的充放电性能，使钠离子电池具有更高的首次库仑效率和倍率性能。

 

 

CATL钠离子电池研究团队开发了一种具有独特孔隙结构的硬质碳材料，可以使大量钠离子快速储存和通过。每克容量可达350mAh/g，同时具有良好的可回收性。整体性能指标与石墨相当。

 

CATL钠离子电池的优点

CATL在整合高度创新的技术能力的基础上，开发出了具有独特优势的钠离子电池：

● 单电池能量密度：160Wh/kg，当前全球水头水平；

● 在室温下充电15分钟，功率可达80%以上，具有优异的快速充电特性；

● 在–20℃的低温环境中，保持90%以上的放电保持率和优异的低温功率；

● 系统集成效率可达80%以上；

● 优异的热稳定性，并超过中国强动力电池标准的安全要求。

因此，CATL钠离子电池的能量密度略低于锂离子电池制造商开发的商用lifepo4电池，但其在低温性能和快速充电方面的明显优势非常适合高冷地区的大功率应用场景。

 

CATL钠离子电池采用AB电池结构

采用AB电池结构，是CATL钠离子电池的结构创新。串联和并联两种电池的集成可以快速解决第一代钠离子电池能量密度低的问题，这也对BMS系统提出了挑战。

 

 

虽然可以在整个电池电压范围内匹配，但目前的普鲁士白+硬碳电化学曲线与任何现有的锂离子电池化学体系都有明显的不同。此外，钠基正极固有的电压滞后给SOC管理带来了相当大的复杂性。AB的双剑组合可以弥补Gen1钠电池的能量密度不足。其电池组的能量密度提高了25%，发挥了其高功率和低温性能的优势，可以适应更多的场景。

根据CATL发布的路线规划，Gen2钠电产品将突破200Wh/kg。事实上，钠离子电池的工作原理与锂离子电池相同。加工性能可以完全参考锂离子电池化学材料的物理和化学指标，其量产线可以完全兼容。碳中和催生了对TWh级电池的需求，多元化的应用场景不断涌现。CATL钠离子电池的产生将与锂电池共同保障行业的长期稳定发展。